14. Система umts: архитектура системы, пользовательское оборудование, каналы. Процедуры мягкого и жёсткого хэндовера. Физический уровень umts.

Система UMTS: архитектура системы, пользовательское оборудование, каналы

UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System — Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система) — технология сотовой связи, разработана Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения 3G в Европе. В качестве способа передачи данных через воздушное пространство используется технология W-CDMA, стандартизованный в соответствии с проектом 3GPP ответ европейских учёных и производителей на требование IMT-2000, опубликованное Международным союзом электросвязи как набор минимальных критериев сети сотовой связи третьего поколения.

С целью отличия от конкурирующих решений, UMTS также часто называют 3GSM с целью подчеркнуть принадлежность технологии к сетям 3G и его преемственность в разработках с сетями стандарта GSM.

Архитектура каналов UMTS

Как уже говорилось выше, система 3G в основном рассматривается как инфраструктура, предоставляющая оконечным пользователям и пользовательским приложениям оборудование, соответствующую полосу частот и необходимое качество. Обеспечение техническими средствами, распределение частот и качество соединения вместе образуют понятие «качество обслуживания» (QoS). В случае сквозного режима обслуживания (соединения) между пользователями для данной конкретной услуги устанавливается свой набор требований к качеству обслуживания, которые должны выполняться по всей сети. В различных частях сети MTS выполнение требований QoS к услугам обеспечивается по-разному.

Чтобы смоделировать эту ситуацию, требования к сквозному режиму обслуживания разделили на три категории: обслуживание местного канала, обслуживание канала UMTS и обслуживание внешнего канала. Обслуживание местного канала включает механизмы реализации сквозного режима на участке между оконечным оборудованием и мобильным окончанием (МТ). МТ представляет собой часть оборудования пользователя (UE), которая устанавливает радиосоединение с сетью и адаптирует возможности оконечного оборудования к условиям радиопередачи. Обслуживание канала UMTS, в свою очередь, предусматривает механизмы выполнения требований качества обслуживания (QoS) в сети UMTS/3G, включающей сеть доступа UTRAN и базовую сеть. Когда сеть UMTS соединяется с другой сетью (или сетями), то требования QoS для сквозного режима должны поддерживаться и в направлении этих внешних сетей. Это область ответственности внешнего канала.

Внутри сети UMTS сеть доступа UTRAN и базовая сеть по-разному поддерживают требования QoS. С точки зрения базовой сети UTRAN создает иллюзию фиксированного канала, предоставляя оконечному пользователю необходимое качество обслуживания (QoS). Этот воображаемый канал называют услугой по предоставлению канала радиодоступа. Базовая сеть CN использует собственный метод передачи, который называется «службой канала базовой сети». Такое разделение обусловлено необходимостью гарантировать определенное качество обслуживания в очень разных транспортных средах, для каждой из которых требуются свои механизмы передачи и протоколы. Так, канал базовой сети по своей природе достаточно постоянен, поскольку базовая транспортная сеть обеспечивает стабильные (устойчивые) физические соединения. В системе UTRAN канал радиодоступа претерпевает множество изменений с течением времени и при перемещениях оборудования пользователя, что создает различные условия с точки зрения выполнения требований QoS. Кроме того, при разделении каналов сети доступа и базовой сети (CN) выполняется основной принцип архитекторы сети UMTS — независимость инфраструктуры всей сети от технологии радиодоступа.

На рис. 1.5 приведена модель сетевой архитектуры, в основе которой лежат понятия каналов и качества обслуживания (QoS). На нашем сайте этим понятиям уделяется большое внимание, поскольку обеспечение QoS — одна из важнейших задач UMTS.

Распределение частот

К декабрю 2004 года по всему миру было выдано более 120 лицензий на предоставление услуг связи операторам, внедряющих технологию радиодоступа W-CDMA на оборудовании стандарта GSM. В Европе процесс выдачи лицензий пришёлся на время повышенного спроса на акции технологических компаний, и в таких странах как Великобритания и Германия стоимость лицензий была по мнению многих специалистов неоправданно завышена. В Германии покупатели выложили в сумме более 50 миллиардов евро за шесть лицензий, две из которых позже были аннулированы без возмещения стоимости (компании Mobilcom и консорциума финской Sonera и испанской Telefonica). Помимо оплаты стоимости лицензии, операторы брали на себя бремя достаточно высоких налоговых выплат в течение последующих десяти лет, что, по прогнозам финансистов, не могло окупить затрат участников и привело бы к банкротству (в числе наиболее рискованных игроков оказалась нидерландская KPN). Спустя несколько лет часть операторов предпочла частично или полностью отказаться от полученных лицензий.

Спектр частот, отведённый под использование UMTS в Европе, является уже занятым под предоставление других услуг на территории США: частота в 1900 МГц отведена под Personal Communications Service (PCS) стандарта 2G, частота 2100 МГц используется для спутниковой связи. Тем не менее, по решению государственных органов США часть диапазона 2100 МГц освобождается под услуги 3G, также как и часть диапазона 1700 МГц (для передачи данных в режиме «от мобильного терминала к базовой станции»).

AT&T Wireless запустила сеть UMTS в Соединённых Штатах Америки в конце 2004 г. в диапазоне 1900 МГц. Компания сотовой связи Cingular, приобретённая AT&T в том же 2004 году, смогла применить эту технологию на своей сети в ряде американских городов. В соседней Канаде запуск UMTS также анонсируется на частоте 1900 МГц. Другая компания, T-Mobile, предполагает развернуть сеть в диапазоне 2100/1700 МГц.

С целью расширения абонентской базы AT&T также осваивает диапазон в 850 МГц в части американских штатов. Австралийский оператор Telstra планирует к февралю 2008 года перейти от эксплуатации сети CDMA в диапазоне 850 МГц к UMTS на частоте 2100 МГц. Стоит отметить то, что диапазон 850 МГц позволяет охватывать большую зону действия в пределах одной базовой станции по отношению к сетям 1700/1900/2100 МГЦ.

Оборудование

Доступ пользователей к услуге передачи данных сети UMTS может обеспечиваться вне зависимости от типа используемого компьютера, путём применения шлюза доступа к сети (cellular router), использующего интерфейс PCMCIA либо USB. Часть программного обеспечения устанавливается автоматически при обнаружении операционной системой модема, и не требует дополнительных знаний по настройке подключения к сети.

Использование мобильного терминала, имеющего доступ к сетям 3G, в качестве маршрутизатора(модема)позволяет установить соединение с сетью Интернет посредством Bluetooth или USB ноутбукам самых разных марок и производителей.

Возможности

UMTS, используя разработки W-CDMA, позволяет поддерживать скорость передачи информации на теоретическом уровне до 21 Мбит в сек. (при использовании HSPA+). В настоящий момент самыми высокими скоростями считаются 384 Кбит/сек для мобильных станций технологии R99 и 7,2 Мбит/сек для станций HSDPA в режиме передачи данных от базовой станции к мобильному терминалу. Это является скачком по сравнению со значением в 9,6 Кбит/сек при передаче данных по каналу GSM, или использованием в соответствии с технологией HSCSD нескольких каналов 9,6 Кбит/сек (при этом максимально достигаемая скорость — 14,4 Кбит/сек в CDMAOne), и, наряду с другими технологиями беспроводной передачи данных (CDMA2000, PHS, WLAN) позволяет получить доступ к Всемирной Паутине и другим сервисам посредством использования мобильных станций.

Предшествующее поколению 3G второе поколение мобильной связи включает в себя такие технологии как GSM, IS-95, PHS, используемый в Японии PDC и некоторые другие, принятые на вооружение в самых разных странах. Эволюционным этапом на этом пути развития телекоммуникаций является поколение «2,5G», обозначающее применение на сетях технологии GPRS. Теоретически скорость передачи данных с GPRS может составлять максимально 171,2 Кбит/сек, но на практике она колеблется в пределах 56 Кбит/сек, что тем не менее повышает привлекательность технологии, основанной на пакетной коммутации по сравнению с более медленными в передаче данных способах, основанных на коммутации каналов. GPRS применена на многих сотовых сетях стандарта GSM, а следующий этап в этой технологии — EDGE, использующий более сложные схемы кодирования информации — позволяет поднять скорость передачи данных до 473,6 Кбит/с в теории и до 180 Кбит/сек на практике. Сети, развёрнутые с применением EDGE, относят к поколению «2,75G». Улучшенный GPRS это и есть EDGE. GSM/EDGE составляют один из уровней доступа 3G/UMTS - GERAN.

Начиная с 2006 года на сетях UMTS повсеместно распространяется технология высокоскоростной пакетной передачи данных от базовой станции к мобильному терминалу HSDPA, которую принято относить к сетям поколения «3,5G». К началу 2008 года HSDPA поддерживала скорость передачи данных в режиме «от базовой станции к мобильному терминалу» до 7,2 Мбит/сек. Также ведутся разработки по повышению скорости передачи данных в режиме от мобильного терминала к базовой станции HSUPA. В долгосрочной перспективе, согласно проектам 3GPP, планируется эволюция UMTS в сети четвёртого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать информацию на скоростях 100 Мбит/сек и 50 Мбит/сек соответственно, благодаря усовершенствованному использованию воздушной среды посредством мультиплексирования с ортогональным частотным (скорее, имеется в виду фазовое) разделением сигналов OFDM.

UMTS позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций посредством мобильного терминала, однако опыт работы операторов связи Японии и некоторых других стран показал невысокий интерес абонентов к данной услуге. Гораздо более перспективным представляется развитие сервисов, предлагающих загрузку музыкального и видео контента: высокий спрос на услуги такого рода был продемонстрирован в сетях 2,5G.

Процедуры мягкого и жёсткого хэндовера

Х эндовер (англ. Handover) — в сотовой связи процесс передачи сессии абонента от одной базовой станции к другой. В спутниковой связи процесс передачи контроля над спутником от одного научно-измерительного пункта к другому без нарушения и потери обслуживания.

Демонстрация "мягкого" хендовера

Назначение

В сотовой связи может быть несколько причин для проведения передачи сессии:

Когда телефон уходит с зоны покрытия одной ячейкой сети и входит в зону покрытия другой ячейкой. Хэндовер позволяет абонентам не быть привязанным к какой-либо географической точке и дает возможность передвигаться в пределах сети оператора без разрыва соединения;

Когда ёмкость сети в текущей ячейке израсходована при существовании нового звонка с телефона, который находится в зоне, перекрытой другой ячейкой, передаётся к этой ячейке в порядке освобождения ёмкости первой ячейки для других ее пользователей, которые могут быть соединены только с первой ячейкой;

В не-CDMA сетях, когда канал используемый телефоном зашумлён помехами другого телефона, использующего тот же канал в другой ячейке, звонок передаётся другому каналу в той же ячейке или другому каналу в другой ячейке для устранения помех;

В не-CDMA сетях, когда изменяется поведение пользователя, то есть когда пользователь, быстро изменяющий местоположение, подключённый к большой зонтообразной ячейке, останавливается, звонок может быть передан макроячейке или даже микроячейке для освобождения ёмкости большой сети для других быстро передвигающихся абонентов и для уменьшения потенциальных помех другим ячейкам или пользователям. Это работает и в противоположной ситуации, когда абонент передвигается быстрее определенного порога, звонок может быть передан большей ячейке для уменьшения частоты передач.

Принцип действия

Процесс передачи сессии может быть инициирован при переходе пользователя из зоны покрытия одной ячейки в зону покрытия другой. В случае использования традиционного метода "жёсткого" хендовера соединение с текущей ячейкой прерывается, после чего создаётся соединение с новой ячейкой. Этот метод известен как "break-before-make" хендовер. Так как все ячейки в CDMA используют общие частоты, возможно создание соединения с новой ячейкой без прерывания соединения с предыдущей. Этот метод также известен как "make-before-break" или "мягкий" хендовер. Мягкие хендоверы требуют меньших мощностей, что уменьшает интерференцию и увеличивает возможности нагрузки. Мобильный телефон может также быть соединён с несколькими BTS. "Более мягкий" хендовер - частный случай мягкого хендовера, в котором радиосвязи, добавленные и удалённые одному и тому же узлу.

Жёсткий хендовер – может внести искажения, задержки в передачу данных и речи.

Физический уровень UMTS

Физический уровень определяет услуги обмена информацией в виде транспортных каналов. На этом уровне выполняются все функции, связанные с обработкой сигналов, канальным кодированием, перемещением, модуляцией, синхронизацией и т.д. В число этих функций входит отображение транспортных каналов в физические каналы.

Уровень звена данных разделен на следующие подуровни:

- подуровень управления доступом к среде (MAC-подуровень);

- подуровень управления радиоканалом (RLC-подуровень);

- подуровень протокола сходимости пакетных данных (англ. Packet Data Convergence Protocol - PDCP);

- подуровень управления вещанием/широковещанием (англ. Broadcast/ Multicast Control - BMC).